Formen der Modulation

Untertitel: Information im Huckepack

Die große Frage lautet, wie man mit einer EM-Welle Information transportieren kann. Dazu muss das Signal in der Lage sein, Unterschiede ausdrücken zu können. Man muss die Welle also irgendwie verändern. Das nennt man ganz allgemein Modulation. Wir sehen uns zunächst zwei klassische, analoge Methoden an, die auch noch heute im Einsatz sind: Amplitudenmodulation (AM) und Frequenzmodulation (FM). Wir nehmen vereinfacht an, dass nur ein einzelner Ton übertragen wird.

Schematische Darstellung von Sendung (a bis c), Übertragung (d) und Empfang (e und f) bei AM und FM. Die Störungen, die bei der Übertragung auftreten, betreffen nur die Amplitude. Im Empfangsgerät wird die modulierte Welle quasi halbiert, bevor ihr die Information entnommen wird. Bei AM wirkt sich die Störung auf den empfangenen Ton aus (siehe auch Infobox Schwingung - Welle).

Bei der Amplitudenmodulation (Abb., obere Zeile) wird die Trägerwelle (b) so verändert (c), dass ihre Amplitude im Rhythmus des zu übertragenden Tons (a) schwingt. Die Frequenz bleibt unverändert. Bei der Frequenzmodulation (untere Zeile) wird die Trägerwelle so verändert, dass ihre Frequenz im Rhythmus des zu übertragenden Tons schwingt. Die Amplitude bleibt unverändert. Bei AM liegt die Information in der Amplitude der modulierten Trägerwelle und bei FM in der Frequenz.

Wenn du den Radiosender einstellst, bringst du den Empfangsschwingkreis in Resonanz. Die Resonanzkurve hat eine bestimmte Breite, die Bandbreite. Die Sender (hier exemplarisch 5) brauchen einen bestimmten Abstand, damit sie einander nicht störend überlagern.

Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Bei der Übertragung von der Funkstation zum Empfänger, etwa dem Radio bei dir zu Hause, wird die modulierte Trägerwelle immer durch verschiedene Effekte gestört (folgende Abb.d). Diese Störungen betreffen aber nur die Amplitude und nicht die Frequenz. Weil bei AM die Information in der Amplitude liegt, kann im Radio der ursprüngliche Ton nicht mehr exakt rekonstruiert werden (e und f). Kurz gesagt: Stimme und Musik klingen verzerrt und krächzend. Eine FM-Welle lässt die Störung der Amplitude jedoch kalt. Daher werden alle Musiksender, bei denen die Qualität der Übertragung wichtig ist, ausschließlich frequenzmoduliert ausgestrahlt. Diesen Frequenzbereich nennt man auch UKW (Ultrakurzwelle; F4).

Frequenz-Richtwerte für AM und FM.

Auf der anderen Seite ist aber die Bandbreite (Abb. 36.5) bei AM geringer als bei FM. Das bedeutet, dass man in einem Frequenzbereich wesentlich mehr Sender unterbringen kann. Daher wird AM im Sprechfunk eingesetzt, bei dem man viele Kanäle benötigt, die Qualität der Stimme aber keine so große Rolle spielt (Tab. 36.1), etwa beim Flugfunk.

• Schwingung-Welle
• Bandbreite 1
• Bandbreite 2

Analoge Übertragungsverfahren, wie sie beim Radio angewendet werden, sind schon eher selten geworden. Handy oder WLAN funktionieren digital. Auch Fernsehen wird in Österreich seit Ende 2006 zusätzlich digital übertragen und die analoge Übertragung wird bis 2010 komplett eingestellt werden. Die Modulationsprinzipien sind ähnlich den analogen Verfahren, allerdings werden ausschließlich Bits übertragen, also 0er und 1er. Man unterscheidet zwischen digitaler Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation. Die erste digitale Amplitudenmodulation war im Prinzip Marconis Morseübertragung (F7): Trägerwelle an, Trägerwelle aus. Für Telefonübertragungen wählt man heute meistens FM. Manchmal werden die Modulationsverfahren kombiniert, um die Datenübertragungsrate zu erhöhen.

• DVB-T
• Analog-digital

Was ist der Vorteil der digitalen Übertragung? Schließlich kommt es ja zur „Stufenbildung„? Nun, diese Stufen werden so klein gemacht, dass sie für uns nicht mehr hör- und sichtbar sind. Der Vorteil der digitalen Daten liegt darin, dass sie beim Empfänger besser rekonstruierbar sind, und die Qualität der Übertragung wird besser. Das liegt daran, dass man zusätzliche Prüfbits zur Fehlerkontrolle mitschickt.

Drei digitale Modulationsverfahren. Man nennt sie auch Umtastung (Shift Keying). Die digitale Frequenzmodulation wird daher auch Frequenzumtastung oder Frequency Shift Keying (FSK) genannt. PM steht für Phasenmodulation.

Ein einfaches Beispiel: Man schickt nach 3 Bits ein Prüfbit mit, das angibt, ob das Paket vorher eine gerade oder ungerade Zahl war. Geht eines dieser 4 Bits verloren, kann man es rekonstruieren. In diesem Beispiel kann also ein 1/4 der Datenmenge ohne Informationsverlust verloren gehen. Man sagt daher, dass die Information redundant (überreichlich) vorhanden ist. Es gibt verschiedenste, sehr gefinkelte Prüfungsverfahren, zum Beispiel Prüfbits, die die Prüfbits prüfen. Aus diesem Grund verzeihen auch CD oder DVD relativ große Kratzer und Fingerabdrücke (F9).

In dieser lichtmikroskopischen Aufnahme kann man die Bits einer CD sehen. Diese verzeiht Kratzer von etwa 1 mm Breite, was dem Verlust von rund 800 bits entspricht! Die Höhe dieses Bild entspricht etwa 1/10 mm. Der Kratzer könnte 10-mal so breit sein!

Um Information mit Hilfe einer EM-Welle übertragen zu können, muss man Amplitude, Frequenz oder Phase der Trägerwelle modulieren. Die digitale Übertragung ist qualitativ besser, weil sie redundant erfolgt und durch Störung verloren gegangene Information bis zu einem gewissen Maß rekonstruiert werden kann.